Kandidaatintyö 2.3.2020 LUT School of Energy Systems
Sähkötekniikka
LED-VALAISTUKSEN VAIKUTUKSET KIINTEISTÖN SÄHKÖVERKOSSA
Impacts caused by LED-lighting in a property electricity network
Tuukka Tähti
TIIVISTELMÄ
Lappeenrannan-Lahden teknillinen yliopisto LUT LUT School of Energy Systems
Sähkötekniikka Tuukka Tähti
LED-valaistuksen vaikutukset kiinteistön sähköverkossa
2020
Kandidaatintyö
30 sivua, 7 kuvaa ja 3 taulukkoa Tarkastaja: TkT Jukka Lassila
Ohjaaja: Insinööri Christian Gustafsson
LED-valaistus on yleistynyt viime vuosina niin yksityisasunnoissa kuin julkisissa kiinteis- töissä ja teollisuudessa. Ledeihin siirtymiseen kannustaa ledien parempi energiatehokkuus ja pidempi käyttöikä korvattaviin valaisimiin nähden. LED-valaistus ei kuitenkaan ole täysin ongelmatonta, sillä valaisimien sähköinen rakenne ja niissä käytetyt komponentit synnyttä- vät niitä syöttävään verkkoon sähkönlaatua heikentäviä ilmiöitä.
Työssä selvitetään, mitä vaikutuksia LED-valaistus synnyttää kiinteistön sähköverkkoon ja millä menetelmin vaikutuksia voidaan vähentää tai rajata. Työ toteutetaan kirjallisuuskat- sauksena ja siinä hyödynnetään sähköalan kirjallisuutta sekä alan verkkojulkaisuja.
LED-valaistuksen vaikutuksia sähköverkossa voidaan pitää harmonisia yliaaltoja, kapasitii- vista loistehoa sekä virtatransientteja. Ilmiöt heikentävät sähkön laatua, synnyttävät häviöitä, kuormittavat verkkoa ja voivat aiheuttaa sulakkeiden laukeamisia sekä vikaannuttaa ver- kossa olevia laitteita. Ongelmien vähentämiseksi on olemassa useita teknisiä ratkaisuja ku- ten yliaaltosuodattimia ja nollapistekytkentäreleitä. Näiden lisäksi vaikutuksia voidaan ra- jata suunnittelu- ja toteutusvaiheen ratkaisuilla, joilla voidaan rajata käynnistysvirtapiikkien suuruuksia ja minimoida loistehon suuruus.
Työssä kartoitettiin erilaisia ratkaisuja LED-valaisutuksen aiheuttamien häiriöiden vähentä- miseksi ja opinnäytetyö toimii taustamateriaalina valaistusuudistuksen suunnitteluun. LED- valaistuksen aiheuttamat ongelmat voivat olla hyvin vaihtelevia eri kohteissa, joten yleispä- tevää ratkaisua häiriöiden poistamiseen ei ole vaan kohteet vaativat tapauskohtaista tarkas- telua. Valaistussaneerausta tehdessä on siis hyvä tietää mitä haittoja uusista valaisimista voi syntyä sähköverkkoon ja miten niitä tarvittaessa voidaan vähentää erilaisilla ratkaisuilla.
ABSTRACT
Lappeenranta-Lahti University of Technology LUT LUT School of Energy Systems
Electrical Engineering Tuukka Tähti
Impacts caused by LED-lighting in a property electricity network
2020
Bachelor’s Thesis.
30 pages, 7 figures and 3 tables Examiner: D.Sc. Jukka Lassila
Supervisor: Engineer Christian Gustafsson
The usage of LED-lighting has spread to private, public and industrial properties in few years. Better energy efficiency and longer lifespan of LEDs compared to older lighting tech- nologies encourages to update lamps to LEDs. Despite the advantages of LEDs, they also have some negative effects to the electric network of the property where they are installed.
Because of LED luminaires electrical structure and the components used in them having their specific features impairs LEDs the quality of electricity.
This bachelor’s thesis sorts out what effects LED lighting creates to the electrical network and what solutions there are to cut and delimit the effects. This bachelor’s thesis is carried out as a literature review where literature of electrical field is used.
LED lighting causes harmonics, capacitive reactive power and current transients to the elec- trical network. These phenomena impair the quality of the electricity, generate losses, loads the network, can trigger fuses and cause malfunctions of devices in the network. There are several technical solutions to reduce the problems such as harmonic filters and switching relays which can limit harmonics and current transients. Also design and installation solu- tions can reduce the effects of current transients and reactive power.
This bachelor’s thesis surveys different solutions to limit the interferences caused by LED- lighting in an electrical network and works as a background material for designing a lighting renovation. The problems may vary in different surroundings so there isn’t a universal solu- tion to fix the issues. However, when planning a lighting renovation, it is good to know what issues it may generate and how to limit and reduce them with different solutions.
SISÄLLYSLUETTELO
Käytetyt merkinnät ja lyhenteet
1. Johdanto ... 6
2. Sähkön laatu ... 8
3. LED-valaistuksen vaikutukset sähköverkossa ... 9
3.1 Yliaallot ... 10
3.1.1 Yliaaltojen aiheuttamat haittavaikutukset sähköverkossa ... 12
3.2 Loisteho ... 14
3.2.1 Loistehon aiheuttamat haittavaikutukset ... 15
3.3 Kytkentävirtasysäykset ... 17
3.3.1 Käynnistysvirtapiikkien aiheuttamat haittavaikutukset sähköverkossa ... 18
4. Yleisiä ratkaisuja sähkön laadun parantamiseksi ... 20
4.1 Loistehon vähentäminen ... 20
4.2 Passiivinen yliaaltojen suodatus ... 22
4.3 Aktiivinen yliaaltojen suodatus ... 23
4.4 Kytkentätransienttien minimointi ... 24
5. Mahdollisia ratkaisuja case-ympäristössä ... 26
5.1 Case-ympäristön kuvaus ... 26
5.2 Ongelmat ... 26
5.3 Toimenpiteitä vaikutusten vähentämiseksi ... 27
6. Yhteenveto ... 29
Lähteet ... 30
KÄYTETYT MERKINNÄT JA LYHENTEET CE Conformité Européenne
EN European Standard
LED Light-Emitting Diode
SFS Suomen standardisoimisliitto SFS ry THD Total Harmonic Distortion
cos φ tehokerroin
D säröteho
f taajuus
h harmonisen yliaallon järjestysluku
P pätöteho
Q loisteho
S näennäisteho
U jännite
Uh harmonisen yliaallon suhteellinen amplitudi
Z impedanssi
1. JOHDANTO
LED-teknologian kehitys ja paine energiatehokkaampiin valaistusratkaisuihin ovat viime vuosina ajaneet valaisinmarkkinat murrokseen. LED-valaisimet ovat korvaamassa perintei- semmät valaisintyypit niin asuinkiinteistöissä, kuin toimistoissa ja teollisuudessa.
LED-valaistuksen etuina perinteisempiin valaisimiin, kuten esimerkiksi loisteputkivalai- simiin nähden, ovat parempi hyötysuhde, valon laatu, sekä pidempi käyttöikä. LED-valais- tuksessa on eduistaan huolimatta haittoja, joita päivittäinen käyttäjä ei huomaa. Valtaosa LED-valaisimista eivät kuulu yliaaltohäiriöitä rajoittava standardin EN 61000-3-2 piiriin, sillä ledien nimellisteho on usein alle 25 W, joka on standardin piirissä olevien valaisimien tehon alaraja. Ledien rakenteeseen kuuluva tasasuuntaussilta ja standardien asettamien rajo- jen puute aiheuttava sen, että valtaosa markkinoilla olevista LED-valaisimista syöttävät verkkoon häiriöitä, joilla on syöttävään verkkoon sähkön laatua heikentäviä ominaisuuksia.
Etenkin suurien valaisinryhmien ja valaisinkeskusten kohdalla häiriöt rasittavat verkkoa ja aiheuttavat sähkön siirtohäviöitä, heikentävät yleisesti sähkön laatua ja voivat jopa aiheuttaa sähköpalon riskin, mikäli valaisimien vaikutuksia sähköverkkoon ei oteta huomioon ja tehdä tarvittavia toimia häiriöiden torjumiseksi (Ruuth. 2018).
Fortum Power and Heat Oy on toteuttamassa valaistusuudistusta Loviisan ydinvoimalaitok- sella. Uudistuksessa merkittävä osa laitoksen loisteputkivalaisimien loisteputkista korvataan LED-putkilla, ja täten vähennetään laitoksen valaistuksen energiankulutusta ja parannetaan laitoksella yleisvalaistuksen laatua. Valaisinuudistus aiheuttaa tarpeen uusien valaisimien synnyttämien häiriöiden suodattamiselle.
Tämän työn tavoitteena on tehdä selvitys LED-valaistuksen aiheuttamista vaikutuksista te- ollisuusverkon sähkön laatuun ja selvittää ratkaisuja vaikutusten torjumiseen. Työssä keski- tytään vertailemaan magneettikuristimilla toimivia loisteputkivalaisimia perinteisillä loiste- putkilla ja LED-putkilla. Selvitys tuotetaan voimalaitoksen sähkösuunnitteluorganisaatiolle taustamateriaaliksi voimalaitokselle suunniteltaviin valaisinkeskusmuutoksiin.
Selvitystä tehdään seuraavien tutkimuskysymysten pohjalta:
- Mitä häiriöitä LED-valaisimet synnyttävät?
- Mitä haittaa syntyneistä häiriöistä on?
- Millaisia ratkaisuja on olemassa häiriöiden vähentämiseksi?
Selvitys toteutetaan pääsääntöisesti kirjallisuuskatsauksena, johon aineistoa etsitään sähkö- alan kirjallisuudesta, sekä tieteellisistä verkkojulkaisuista.
2. SÄHKÖN LAATU
Sähkölle, kuten lähes kaikelle mitattaville suureille voidaan asettaa laatuvaatimuksia. Vaa- timukset määrittävät numeeriset raja-arvot, joiden sisällä sähkön eri ominaisuuksien tulee pysyä. Raja-arvot on asetettu, sillä sähköverkkoon liitetyt laitteet on suunniteltu toimimaan sähköverkon nimellistaajuuden, oikean jännitetason ja puhtaan siniaaltoisen jännitteen avulla (Korpinen. 2008). Huonolaatuinen sähkö voi aiheuttaa verkkoon kytkettyjen laittei- den ylimääräistä kuormittumista ja vikaantumisia. Laitteiden herkkyys sähkön laatuvirheille voi vaihdella tyyppikohtaisesti ja satunnaisia hajoamisia ei välttämättä osata yhdistää syöt- tävän verkon jännitteen vajaavaisuuksiin, vaikka kyseinen mahdollisuus on hyvä ottaa huo- mioon vikaantumisten syiden selvityksessä.
Eurooppalainen standardi SFS-EN 50160 määrittää rajat jännitteen ominaisuuksille. Stan- dardissa otetaan kantaa jännitteen taajuuteen, suuruuteen, aaltomuotoon ja kolmivaiheisen jännitteen symmetrisyyteen (SFS. 2011). Jännitteen käyrämuotoon vaikuttaviin tekijöihin lukeutuu hitaat ja nopeat jännitevaihtelut, jännitepiikit ja yliaallot. Standardin SFS-EN 50160 asettamat rajat sähköverkon liittymäpisteen jännitteen laadulle riippuvat sähköverk- koliittymän koosta, eli onko kohde liitetty pien-, keski- vai suurjänniteverkkoon. Jännitteen raja-arvot mitataan sähkönkäyttäjän liittymäpisteessä sähköverkkoon (Sähköinfo. 2018).
Mikäli sähkönkäyttäjän oma verkko on huomattavan suuri, on sähkön laadun tarkkailu ver- kon sisällä suotavaa, sillä verkossa esiintyvät häiriöt voivat aiheuttaa ongelmia myös käyt- täjän oman verkon sisällä.
3. LED-VALAISTUKSEN VAIKUTUKSET SÄHKÖVERKOSSA
LED-valaisimet ovat yleistyneet valaisinmarkkinoilla eri sovelluksissa hyvien teknisten ominaisuuksiensa ja viime vuosina laskeneiden yksikköhintojen ansiosta (Motiva. 2019).
Markkinoille on tuotu kahdella eri lähestymistavalla suunniteltuja LED-valaisimia, niin sa- nottuja jälkiasennus-malleja, jotka on pyritty saamaan muistuttamaan ulkoisesti vanhempiin teknologioihin perustuvia valaisimia, sekä uusia valaisinmalleja, jotka hyödyntävät LED- teknologian luomat mahdollisuudet valaisinsuunnittelussa (Rossi. 2019). Uusissa LED-va- laisimissa LED-paneelit ovat yleensä kiinteitä valaisimen osia ja tästä johtuen paneelin tul- lessa käyttöikänsä päähän, koko valaisin vaihdetaan. Jälkiasennettavat LED-valonlähteet ovat vaihdettavissa vanhoihin valaisinrunkoihin ja niitä on saatavilla hehkulamppujen ja loisteputkien korvaajiksi.
Kohteessa, jossa toteutetaan valaistussaneeraus, päädytään todennäköisesti vanhojen valai- simien korvaamiseen LED-valaisimilla. Ledien valintaa voidaan perustella muun muassa pienemmällä energiankulutuksella ja valaisimien pidemmällä eliniällä. Hyötyjen lisäksi on saneerauksessa otettava kuitenkin myös huomioon LED-valonlähteiden aiheuttamat haitat kiinteistön sähköverkossa.
LED on puolijohdekomponentti, joka säteilee näkyvää valoa, kun ledin anodilta johdetaan sähkövirtaa katodille. Ledin säteilemän valon väri riippuu käytetyistä puolijohdekomponen- teista (Rossi. 2019). LED-valaisimen rakenne koostuu yksinkertaistettaessa vaihtosähköä ta- sasähköksi muuttavasta tasasuuntaussillasta, pulssimaista tasajännitettä tasaavasta konden- saattorista, sekä valoa tuottavasta puolijohdekomponentista.
Kuva 3.1 Yksinkertaistettu kuva LED-valaisimesta. LED-valaisimen rakenteessa etenkin tasasuuntaussilta ja kondensaattorit tuottavat häiriöitä sähköverkkoon.
LED-valaisimen rakenne sisältää komponentteja, jotka aiheuttavat kukin tyypilleen ominai- sia sähköisiä ilmiöitä, joita voidaan pitää haitallisina sitä syöttävän verkon sähkön laatua
ajatellen. Tasasuuntauksessa käytettävä tasasuuntaussilta rajoittaa laitteen ottamaa virtaa, ja täten rikkoo syöttävän verkon siniaallon muotoa. Rikkoutunut siniaaltomuoto voidaan ku- vata yliaaltojen avulla. Tasasuunnattua pulssimaista tasajännitettä tasoittava kondensaattori taas tuottaa kapasitiivista loistehoa ja laitteeseen kytkettäessä virta, aiheuttaa kondensaatto- rin latautuminen kytkentätransientin eli kytkentävirtapiikin.
3.1 Yliaallot
Yliaallot ovat melko tuore ja nopeasti yleistyvä ilmiö sähköverkossa. Yliaaltojen yleistymi- sen taustalla on pääasiassa tehoelektroniikan yleistyminen niin kuluttaja-, kuin teollisuus- käytössä. Valaistuksesta puhuttaessa yliaaltojen yleistymistä on edistänyt pienloisteputkiva- laisimet ja etenkin niiden jälkeen markkinoilla yleistyneet LED-valaisimet. Edellä maini- tuissa lampputyypeissä yliaaltoja synnyttävät virran kulkua rajoittavat elektroniset liitäntä- laitteet, erityisesti niissä käytettävät tasasuuntaussillat.
Yliaallot voidaan jakaa kahteen ryhmään, harmonisiin ja epäharmonisiin yliaaltoihin. Har- moniset yliaallot ovat perustaajuuden kokonaislukujen kerrannaisia, eli jos perustaajuutena on 50 Hz, on esimerkiksi kolmas yliaalto 150 Hz taajuudella etenevä. Epäharmonisten yli- aaltojen kertaluvut eivät ole kokonaislukuja ja niiden merkitys, sekä vaikutukset ovat huo- mattavasti pienempiä harmonisiin yliaaltoihin nähden. (Korpinen. 2008) Tässä tutkielmassa keskitytään pääasiassa harmonisiin yliaaltoihin.
Siniaaltomuotoisesta virran käyrästä poikkeava virran muoto voidaan olettaa koostuvan use- asta eri taajuuksilla olevista sinimuotoisista aalloista. Tähän oletukseen perustuen yliaaltoja voidaan laskea ja mallintaa Fourier-analyysin avulla. Signaalit voidaan yhdistää Fourier-sar- jaksi, jonka avulla signaalista voidaan eritellä kunkin kertaluvun yliaaltojen suuruusluokka.
(Korpinen. 2008)
Yliaallot syntyvät, kun sähköverkosta tehoa ottava laite rajoittaa virran kulkua. Tämä johtaa siihen, että laite rikkoo sitä syöttävän virran sinikäyrän ja täten toimii yksinkertaistettaessa yliaaltolähteenä. Tasasuuntaajat ovat esimerkiksi yleisiä yliaaltolähteitä. Tavanomaisesti harmonisia yliaaltoja syntyy eri kertaluvuilla eri määriä.
Yliaaltojen jakauma voidaan esittää spektriesityksellä, jossa kunkin kertaluvun yliaaltokom- ponentti ilmoitetaan suhteellislukuna perustaajuuteen nähden (Korpinen. 2008).
Kuva 3.2 Harmoniset yliaallot voidaan esittää viivaspektriesityksenä, jossa yliaaltojen määrät ilmoitetaan pro- sentuaalisina arvoina perustaajuuteen nähden. Perustaajuus on jätetty pois kuvaajasta.
Harmonisten yliaaltojen kokonaismäärä voidaan laskea kaavalla:
𝑇𝐻𝐷 = &∑ (𝑈-.* *), (3.1)
missä THD on harmoninen särö, h harmonisen yliaallon järjestysluku ja Uh yksittäisen har- monisen yliaallon suhteellinen amplitudi perustaajuiseen jännitteeseen nähden (ABB).
Standardi SFS-EN 50160, Yleisestä jakeluverkosta syötetyn sähkön jänniteominaisuudet, on asettanut sähköverkossa esiintyville harmonisille yliaalloille rajat, joiden sisällä yliaaltojen suhteellislukujen tulee pysyä sähköverkon asiakkaan liitäntäkodassa (Suomen standar- doimisliitto SFS. 2011). Taulukkoa 3.1 ja sen pohjalta tehtyä yliaaltojen jakauman spektriä esittävää kuvaa tarkasteltaessa voidaan huomata, että pienimpien parittomien kertalukujen yliaaltojen osuus yliaalloista on suurin. Pienten kertalukujen yliaalloilla on pidempi aallon- pituus, ja tämän myötä niissä on suurin vaikutus perustaajuuden siniaallon muotoon. Yli kertaluvun 25 yliaaltojen vaikutukset ovat suhteessa jo marginaaliset, joten niitä ei huomi- oida standardissa (SFS. 2011).
0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Taulukko 3.1 Standardin SFS-EN 50160 asettamat rajat sallituille harmonisille yliaalloille verkon liittymis- kohdassa (SFS. 2011)
Parittomat yliaallot Parilliset yliaallot Kolmella jaottomat Kolmella jaolliset
Järjestys- luku h
Suhteellinen jännite (Uh)
Järjestys- luku h
Suhteellinen jännite (Uh)
Järjestys- luku h
Suhteellinen jännite (Uh)
5 6,0 % 3 5,0 % 2 2,0 %
7 5,0 % 9 1,5 % 4 1,0 %
11 3,5 % 15 0,5 % 6…24 0,5 %
13 3,0 % 21 0,5 %
17 2,0 %
19 1,5 %
23 1,5 %
25 1,5 %
Harmoniset yliaallot voidaan jakaa järjestyslukunsa mukaan eri komponentteihin. Kom- ponentit voidaan jakaa kolmeen ryhmään pyörimissuuntansa perusteella. Pyörimissuunta riippuu yliaallon taajuudesta.
Taulukko 3.2 Harmonisten yliaaltokomponenttien jakauma järjestysluvun mukaan (Korpinen. 2008)
Järjestysluku h 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Taajuus f (Hz) 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Komponentti + - 0 + - 0 + - 0
Taulukossa 3.2 esitettyjen komponenttien jakauma perustuu eri taajuuksilla olevien virtojen pyörimisnopeuksien vaihe-eroihin. Jokaisen järjestysluvun välillä on 120° vaihekulma.
Tästä seuraa taulukossa esiintyvä systemaattinen jakauma komponenttien välillä. ”+”-merk- kiset komponentit pyörivät perustaajuuden kanssa samaan suuntaan, ”-” -merkkiset kom- ponentit pyörivät vastakkaiseen suuntaan ja ”0” -merkkiset komponentit eivät pyöri perus- taajuuteen nähden ollenkaan. (Korpinen. 2008)
3.1.1 Yliaaltojen aiheuttamat haittavaikutukset sähköverkossa
Yliaallot ovat jännitekäyrän poikkeamia ideaalisesta siniaaltomuodosta ja vaikuttavat moni- naisesti jännite- sekä virtavaihteluiden muodossa sähköverkkoon ja siinä oleviin laitteisiin.
Kolmivaihejärjestelmässä oletuksena on, että järjestelmän kaikki kolme vaihetta olisivat symmetrisesti kuormitettu, jolloin nollajohtimessa ei kulje lainkaan virtaa. Tästä syystä pien- jänniteverkon kolmivaihejärjestelmän yli 16 mm2 nimellispoikkipinta-alan omaavissa kupa- rikaapeleissa ja yli 25 mm2 alumiinikaapeleissa voi nollajohdin olla puolet vaihejohtimen pinta-alasta, sillä ideaalisesti siinä ei kulkisi ollenkaan virtaa ja täten poikkipintaa voidaan
pienentää materiaalikustannuksissa säästämiseksi. Kolmella jaolliset parittomat harmoniset yliaallot kuormittavat nollajohdinta summautumalla keskenään. Tämä mahdollistaa sen, että nollajohtimessa voi kulkea jopa suurempi virta kuin yksittäisessä vaihejohtimessa. Tämän lisäksi kaapeleiden reaktiivinen osa on induktiivinen, joten yliaaltojen suurempi taajuus kas- vattaa kaapelin vaihtovirtaimpedanssia. (Sähköinfo. 2018)
Edellä mainitut tekijät voivat aiheuttaa nollajohtimen ylikuormittumista ja johtimen lämpe- nemistä. Johtimen ylikuormittuminen vanhentaa kaapelin eristeitä nopeammin ja pahimmil- laan valaistussaneerauskohteessa valaisinkeskusta syöttävän kaapelin nollajohdin voi olla valmiiksi iän haurastuttama ja alimitoitettu edellä mainitulle skenaariolle ja täten aiheuttaa paloturvallisuusriskin (Ruuth. 2018).
Kaapeleiden kuormittumisen lisäksi yliaallot aiheuttavat haittoja verkkoon kytketyissä lait- teissa kuten vaihtosähkökoneissa ja muuntajissa. Harmoniset yliaallot aiheuttavat sähkö- moottoreissa värähtelyä, lämpö- ja momenttihäviöitä. Haitat syntyvät taulukossa 3.2 esitet- tyjen yliaaltokomponenttien ominaisuuksien takia. Positiivisiksi luokitellut yliaallot pyöri- vät samaan suuntaan perustaajuutta nopeammin perustaajuuden kanssa ja aiheuttavat yli- määräistä lämpenemistä moottorissa. Negatiivisiksi luokitellut yliaallot pyörivät perustaa- juuteen nähden päinvastaiseen suuntaan, ja täten tuottavat vastakkaista momenttia, joka pie- nentää moottorin kokonaismomenttia ja rasittaa samalla moottoria. Samaan tahtiin perustaa- juuden kanssa pyörivät 0-yliaallot koostuvat kolmella jaollisista yliaalloista, joten ne sum- mautuvat keskenään moottoria syöttävän keskuksen nollajohtimeen aiheuttaen johtimen kuormitusta. Yliaallot aiheuttavat kuormitushäviöitä yhtälön
𝑆 = 0𝑃, ∗ 𝑄,∗ 𝐷, (3.2)
mukaan missä S on näennäisteho, P pätöteho, Q loisteho ja D yliaaltojen aiheuttama särö- teho. (Sähköinfo. 2018)
Säröteho on yliaaltokomponenteista koostuva teho, joka lisää kuorman näennäistehoa. Sä- röteho käyttäytyy näennäistehon laskennassa loistehon kaltaisesti ja omaa samat haittavai- kutukset verkolle kuin loisteho. (Sähköinfo. 2018)
Kuva 3.3 Säröteho kasvattaa siirrettävää näennäistehoa (Korpinen. 2008).
3.2 Loisteho
Loisteho on nimensä mukaisesti pääsääntöisesti ei-haluttu ilmiö sähkönsiirrossa. Loisteho on ylimääräistä kuormaa siirtojohdoissa, jonka siirtäminen pitkiä matkoja on turhaa, sillä sen tuottaminen kulutuskohteen lähellä eli kompensointi on teknisesti suhteellisen helppo toteuttaa.
Loisteho voidaan jakaa induktiiviseksi- ja kapasitiiviseksi loistehoksi. Kelat synnyttävät in- duktiivista loistehoa rajoittamalla virran kulkua suhteessa jännitteeseen, kun taas konden- saattorit toimivat päinvastoin kelaan nähden rajoittaen jännitteen kulkua suhteessa virtaan (Ahoranta. 2008). Tyypillisiä loistehon kulutuskohteita ovat sähkömoottorit, jotka tuottavat induktiivista loistehoa. Tasasuuntauspiirin sisältävät laitteet tuottavat kapasitiivista loiste- hoa, sillä laitteet sisältävät tyypillisesti kondensaattoreita.
Kuva 3.4 Loistehon tyyppi vaikuttaa virran ja jännitteen väliseen vaihe-eroon. (Nieminen. N.d)
Loisteho käyttäytyy sähkön siirron kannalta samoin kuin pätöteho, eli se kasvattaa siirrettä- vää virtaa mutta loistehoa itsessään ei voida hyödyntää kulutuskohteessa. Loistehon määrä voidaan ilmoittaa sähkön tehokertoimen avulla, joka kuvaa pätö- ja näennäistehon suhdetta keskenään. Sähkön siirron kannalta tehokertoimen tulisi olla mahdollisimman lähellä yhtä, jolloin siirrettävä teho sisältäisi mahdollisimman vähän loistehoa. Tehokerroin saadaan seu- raavasta yhtälöstä:
cos𝜑= 89 (3.3)
missä cos φ on tehokerroin, P pätöteho ja S näennäisteho.
Loistehon vaikutus näennäistehoon ja sitä kautta vaihevirtaan voidaan kuvata vaihtosähkön tehokolmion avulla.
Kuva 3.5 Vaihtosähkön tehokolmio. Näennäisteho, joka määrittää vaihevirran ja täten komponenttien mitoi- tuksen koostuu pätö- ja loistehokomponenteista.
3.2.1 Loistehon aiheuttamat haittavaikutukset
Sähkövoimakoneet tarvitsevat loistehoa toimiakseen, mutta muuten loistehoa voidaan pitää kielteisenä ilmiönä sähköverkossa ja etenkin sähkön siirron kannalta. Loisteho kasvattaa siirrettävää näennäistehoa, jonka mukaan verkon komponentit ja siirtojohdot mitoitetaan.
Sähkön siirtohäviöt muodostuvat siirtoverkon impedanssin ja siirrettävän tehon virran mu- kaan. Kolmivaiheisen siirtojohdon häviöt voidaan laskea yhtälöllä:
𝑃*ä;<ö = 3 ∗ 𝐼,∗ 𝑍 (3.4)
missä Phäviö on johtimessa tapahtuvat häviöt, I johtimen kuormitusvirta ja Z johtimen impe- danssi.
Pienentämällä siirrettävän tehon virtaa, pienenevät siirtohäviöt suhteessa virran toiseen po- tenssiin. Täten siirrettävän virran minimointi on kannattavaa jo siirtohäviöiden näkökan- nalta. Loistehon aiheuttama vaihevirran kasvu tulee huomioida komponenttien mitoituk- sessa, tämä voi johtaa siihen, että kohteen kaapeloinnin poikkipintaa voidaan joutua kasvat- tamaan tai jopa kohteen liittymän kokoa joudutaan kasvattamaan, jolloin liittymämaksut kas- vavat.
Loistehon määrän rajoittamiseksi sähkönsiirtoverkossa, perii Fingrid loistehomaksua jake- luverkkoyhtiöiltä ja suoraan kantaverkkoon liittyviltä suurilta asiakkailta sallittujen rajojen ylittävästä loistehosta (Sähköinfo. 2018). Jakeluverkkoyhtiöt siirtävät loistehomaksua suu- rien sähköliittymien omaaville asiakkaille. Loistehomaksulla kannustetaan sähköliittymän omistajia rajoittamaan omaa loistehon kulutusta ja kompensoimalla kulutuksensa oman liit- tymän sisällä.
Taulukko 3.3 Kantaverkkopalvelun yksikköhinnat vuodelle 2019 (Fingrid. 2019)
Yksikköhinnat v. 2019
Kulutusmaksu, talviarkipäivä *) 8,80 €/MWh
Kulutusmaksu, muu aika 2,50 €/MWh
Kantaverkosta otto 0,90 €/MWh
Kantaverkkoon anto 0,60 €/MWh
Voimalaitosten nettosähköteho 1900 €/MWh vuodessa 158,33 €/MWh kuukaudessa Lyhyen käyttöajan voimalaitosten energia-
maksu
3,20 €/MWh
Loistehomaksu 1000 €/MVar kuukaudessa
Loistehomaksu, otto 5,00 €/MVarh
Loistehomaksu, anto 5,00 €/MVarh
Hinnat ilman arvonlisäveroa
*) Talvijakson pituus 900 h vuodessa, joulu – helmikuu ma – pe klo 7.00 – 21.00
Taulukosta 3.3 voidaan huomata, että loistehon siirrosta veloitetaan moninkertaisesti pätö- tehon siirtoon verrattuna.
Valaistus on toiminut loisteholähteenä jo ennen LED-valaistuksen yleistymistä. Esimerkiksi loisteputkilamput synnyttävät loistehoa, sillä valaisimien virtaa rajoittavat magneettiset ku- ristimet sisältävät keloja ja täten ovat induktiivista kuormaa. Induktiiviset kuormat on voitu kompensoida valaisimessa erillisellä häiriönpoistokondensaattorilla. Täten valaisimen teho- kerroin on saatu pidettyä korkeana.
Mikäli valaisimien loisteputket korvataan LED-putkilla ja mikäli valaisimen magneettiku- ristin ohitetaan, vaihtuu aiemmin induktiivinen kuorma lievästi kapasitiiviseksi. Jos tällöin induktiivista kuormaa kompensoivia kondensaattoreita ei poisteta, voi aikaisemmin induk- tiivinen loisteho muuttua kapasitiiviseksi loistehoksi ja täten pienentää uusien valaisinko- konaisuuksien tehokerrointa (Ruuth. 2018). Eli mikäli valaisimen magneettikuristin ohite- taan, tulee valaisimessa mahdollisesti oleva kondensaattori myös poistaa.
3.3 Kytkentävirtasysäykset
Käynnistysvirtapiikkien aiheuttamat ongelmat ja rajoitteet ovat sähkötekniikan alalla yleensä liittyneet sähkövoimakoneisiin ja suurien kuormien liikkeelle saamiseen, mutta ne ovat myös ilmiö, joita muun muassa elektronisen liitäntälaitteen omaavat valaisimet aiheut- tavat. LED-valaisimet tarvitsevat tasajännitettä toimiakseen. Täten valaisimeen syötettävä vaihtosähkö tasasuunnataan valaisimen liitäntälaitteessa. Tasasuuntaussillan lisäksi liitäntä- laitteessa on pulssimaista tasajännitettä tasaava kondensaattori, joka on syynä käynnistys- virtapiikin syntymiseen. Kun valaisin kytketään päälle, aiheuttaa kondensaattorin latautumi- nen virtapiikin, joka erottuu selvästi valaisimen ilmoitettuun nimellisvirtaan verrattuna.
Kuva 3.6 Kytkentävirtapiikin suurus riippuu virran sen hetkisestä suuruudesta. (Schneider. 2019)
Valaisimen nimellisteho ei suoranaisesti ole virtapiikin suuruuden määrittävä tekijä, vaan valaisimen liitäntälaitteen rakenne ja kondensaattorin koko vaikuttavat virtapiikin kokoon.
Virtapiikki voi olla jopa 250-kertainen nimellisvirtaan nähden ja kestää tyypillisesti mikro- sekunteja (Schneider. 2019). Virtapiikin koko riippuu, missä kohtaa siniaaltoa laitteen käyn- nistys tapahtuu. Virran siniaallon nollakohdassa tapahtuva käynnistys synnyttää huomatta- vasti pienemmän piikin, kuin aallon huippukohdassa tapahtuva kytkentä (Schneider. 2019).
3.3.1 Käynnistysvirtapiikkien aiheuttamat haittavaikutukset sähköverkossa
LED-valaisimet ovat nimellisvirroiltaan tyypillisesti melko pieniä ja tämän seurauksena yk- sittäisen valaisimen tuottama käynnistysvirtapiikki ei aiheuta haittoja kiinteistöjen sähkö- verkkoihin. Ongelmia syntyy, kun valaisinryhmien koot kasvavat ja puhutaan suurista valai- sinryhmistä, joita voi esiintyä esimerkiksi teollisuudessa tai suurissa kiinteistöissä.
Mikäli suuria määriä valaisimia kytketään samaan aikaan päälle, voi näiden kytkentävirtojen summa aiheuttaa johdonsuojakatkaisijoiden laukeamisen (Schneider. 2019). Esimerkiksi kiinteistössä tapahtuneen sähkökatkoksen jälkeen sähköjen palauttaminen voi aiheuttaa ky- seisen ilmiön. Syystä johtuen valaisinryhmän sulakekokoa voidaan joutua kasvattamaan, mi- käli valaisinryhmässä olevien valaisimien lukumäärä halutaan pitää ennallaan valaistussa- neerauksen edeltävään ryhmäkokoon nähden.
Monet valaisinvalmistajat ovat omien mittauksien perusteella luoneet taulukot, joiden pe- rusteella sulakekoot voidaan mitoittaa valaisinten lukumäärien mukaan tai päinvastoin. Su- lakekokoa kasvattaessa tulee ottaa huomion ryhmien oikosulkuvirtojen kestoisuus. Kasvanut sulakekoko voi vaikuttaa siihen, että kaapelin oikosulkusuojaus ei enää ole riittävän herkkä ja palosuojaus vaarantuu. Tässä tapauksessa vaihtoehtoina on kaapelin poikkipinnan kasvat- taminen tai vaihtoehtoisesti valaisinten lukumäärän rajoittaminen ryhmässä, jotta sulakeko- koa ei tarvitse kasvattaa entisestään.
4. YLEISIÄ RATKAISUJA SÄHKÖN LAADUN PARANTAMISEKSI
Loistehon ja harmonisten yliaaltojen haittavaikutukset heikentävät sähkön laatua ja kuor- mittavat sähkönjakeluverkkoa ja siinä olevia laitteita, sekä aiheuttavat häviöitä johdoissa ja muuntajissa. Näiden lisäksi kytkentävirtapiikit voivat aiheuttaa sulakkeiden tarpeettomia laukeamisia. Loistehon ja yliaaltojen haittavaikutuksia vastaan on kehitetty erilaisia ratkai- suja, joilla vaikutuksia voidaan vähentää tai jopa kokonaan poistaa. Osa yliaaltojen suodat- tamiseen käytetyistä ratkaisuista pohjautuu induktanssien ja kapasitanssien välisiin reso- nanssi-ilmiöihin. Menetelmä on jo pitkään käytetty, mutta puolijohdetekniikkaan pohjautu- vat aktiiviset yliaaltosuodattimet ovat yleistymässä markkinoilla muun muassa joustavuu- tensa ansiosta. Kytkentävirtapiikkien vaikutuksia voidaan myös minimoida suunnitteluvai- heen valinnoilla sekä keskuksiin asennettavilla lisälaitteilla.
Kuva 4.1 Ideaalisesti häiriöiden leviäminen voidaan estää kuorman rinnalle kytkettävillä kompensointi- ja suo- datinlaitteilla. Todellisuudessa kuorman kaikkien häiriöiden suodattaminen on haasteellista. (Sähköinfo. 2018, muokattu)
4.1 Loistehon vähentäminen
Induktiivista loistehoa voidaan vähentää verkossa asentamalla induktiivisen kuorman rin- nalle kompensointiparisto, joka tuottaa esimerkiksi moottorin kuluttaman loistehon paikal- lisesti. Mikäli verkossa esiintyy yliaaltoja, on kuitenkin olemassa riski, että kondensaattorin kapasitanssi ja muuntajan induktanssi synnyttäisivät sopivalla yliaaltotaajuudella resonans- sipiirin. Täten nykyään yliaaltolähteiden yleistyttyä pelkällä kondensaattorilla toteutettavien kompensointilaitteistojen potentiaaliset käyttökohteet ovat harvassa. (Sähköinfo. 2018)
Estokelaparisto toimii samankaltaisesti kuin rinnakkaiskompensointiparisto, sillä erolla että siinä kompensoinnista vastaavan kondensaattorin kanssa sarjaan kytketään kuristin. Kon-
densaattorin ja kelan välille asetetaan tyypillisesti resonanssitaajuudeksi 189 Hz. Tällä pois- suljetaan resonanssitapaukset harmonisilla yliaalloilla. Estokelaparisto resonanssipiirillään suodattaa tämän lisäksi 10 - 30 % keskuksen yliaalloista. (Sähköinfo. 2018)
LED-valaisimien ottama teho sisältää kompleksisen komponentin, mutta sen ollessa jo val- miiksi kapasitiivista, ei ainoastaan LED-putkista syntyvän kuorman kompensoinnissa voida hyödyntää kompensointiparistoja. Tämän lisäksi LED-valaisimet ovat itsessään yliaaltoläh- teitä, joten mikäli kohteessa on käytössä kompensointiparisto ilman estokelaa, voi yliaallot synnyttää resonanssipiirin.
Loisteputkivalaisimen, joka sisältää kompensointikondensaattorin, tyypillinen induktiivinen tehokerroin on 0,9 (ABB). Vastaavasti loisteputkivalaisimeen asennettavat LED-putket omaavat tyypillisesti kapasitiivisen tehokertoimen 0,9 (Sylvania. 2020). Uudet LED-putket voivat täten kompensoida valaisimen induktiivisen loistehon ja nostaa valaisimen tehoker- toimen hyvin lähelle arvoa 1, mikäli ne sisältävät magneettikuristimen lisäksi kompensoin- tikondensaattorin. Vastaavasti kompensoimattoman loisteputkivalaisimen tehokerroin para- nee, mutta sen ollessa tyypillisesti 0,5, jää tehokerroin LED-putkillakin pieneksi. Uusi teho- kerroin voidaan arvioida yhtälöllä:
𝑐𝑜𝑠𝜑 = 8DEFEGHGI
&8DEFEGHGIJ K (LGIM N LOEP)J (4.1)
missä Pvalaisin on valaisimen LED-putkien pätöteho, Qind valaisinrungon induktiivisen loiste- hon määrä, mikä on saatu laskettua valaisinrungon ilmoitetusta tehokertoimesta ja Qkap on LED-putken kapasitiivinen loisteho, mikä on yhtä lailla saatu laskettua LED-putkien ilmoi- tetusta tehokertoimesta.
Mikäli valaisinsaneerauksessa loisteputket korvataan LED-putkilla vanhoissa valaisinrun- goissa, tulee rungoissa oleva sytytin vaihtaa niin sanottuun LED-sytyttimeen, joka on käy- tännössä oikosulkupala, jossa voi olla samalla myös sulake. Jos magneettikuristin ohitetaan valaisinmuutoksessa, valaisimien rungoissa mahdollisesti olevat kompensointikondensaat- torit tulee myös poistaa, jotta valaisimen tehokerroin ei laske liian kapasitiivisen loistehon takia.
Pelkkä loisteputken vaihtaminen LED-putkeksi ja sytyttimen vaihto on rinnastettavissa yl- läpitotyöhön, jolloin valaisimen CE-merkinnät pysyvät voimassa ja valaisin on muutetta- vissa takaisin loisteputkikäyttöön vaihtamalla alkuperäinen sytytin takaisin (Tukes. 2014).
Mikäli valaisimessa oleva magneettikuristin tai kompensointikondensaattori poistetaan va- laisimesta tai valaisimen johdotusta muutetaan, katsotaan valaisimen rakenteen muuttuneen niin, että valaisimen CE- ja muut merkinnät lakkaavat pätemästä ja vastuu valaisimen tur- vallisuudesta siirtyy valmistajalta muutoksen tekijälle. Muutoksen läpikäyneet valaisimet tulee merkitä selvästi, että ne on muunnettu LED-käyttöön. Mikäli valaisimen muutoksen tekijä ei luovuta valaisinta eteenpäin, ei tarvitse valaisinta CE-hyväksyttää, mutta niiden tu- lee olla siitä huolimatta Suomen sähköturvallisuuslainsäädännön mukaisia. (Tukes. 2014)
Mikäli valaisimien magneettikuristimia ei poisteta, eikä valaisimissa ole kompensointikon- densaattoreita, tarvitaan tehokertoimen parantamiseksi siis lisäksi ulkoista kompensointia, mikäli tehokerroin halutaan nostaa lähelle arvoa 1. Kompensointiratkaisun valinnassa tulee kuitenkin huomioida yliaallot.
4.2 Passiivinen yliaaltojen suodatus
Mikäli verkossa esiintyy paljon yliaaltoja, on passiiviset yliaaltosuodattimet soveltuvampi ratkaisu sähkön laadun parantamiseen kuin pelkät estokelaparistot. Passiivisien yliaalto- suodattimien toimintaperiaate pohjautuu keloihin ja kondensaattoreihin, ja niiden välisiin resonanssipiireihin, kuten estokelaparistossa. Yliaaltosuodattimet kykenevät suorittamaan induktiivisen loistehon kompensoinnin ja tämän lisäksi niiden toiminnan painoarvona on harmonisten yliaaltojen suodatus. Passiivisesta yliaaltosuodattimesta käytetään myös ylei- sesti nimitystä yliaaltosuodatin.
Yliaaltosuodatin perustuu kondensaattorin ja kelan sarjaresonanssiin. Yleisesti yliaalto- suodatin koostuu kolmesta sarjaresonanssipiiristä. Piirien kelat mitoitetaan niin, että 50 Hz 5., 7. ja 11. yliaallolla syntyy pieni-impedanssiset resonanssipiirit, jolloin yliaallon ohjautu- vat laitteistoon sen sijasta, että ne päätyisivät syöttävään verkkoon. (Sähköinfo. 2018) Tau- lukosta 3.1 voidaan huomata, että juuri yllä mainittuja yliaaltoja saa esiintyä eniten verkossa eli voidaan olettaa niiden olevan yleisimmät verkossa esiintyvät parittomat kolmella jaotto- mat yliaallot. Tästä syystä suodattimien yliaaltotaajuuksiksi on valittu yleensä juuri nämä kertaluvut.
Yliaaltosuodatin kykenee suodattamaan 80 - 90 % verkossa esiintyvistä yliaalloista (Säh- köinfo. 2018). Suodatusastetta voisi teoreettisesti nostaa lisäämällä suodatuspiirejä useam- malle yliaaltotaajuudelle, mutta teknistaloudellisesti se ei välttämättä ole perusteltavissa saa- tuihin hyötyihin nähden. Yliaaltosuodatinta valittaessa, on verkon tila tiedettävä tarkkaan, sillä laite on mitoitettava tiedetyn kuorman perusteella (Sähköinfo. 2018).
Kolmella jaolliset parittomat yliaallot voivat olla erityisen haitallisia keskuksia syöttäville kaapeleille nollavirtojen summautumisen tähden. Näiden yliaaltojen suodattaminen toteutuu poikkeavasti muiden yliaaltojen suodattamiseen nähden. Kyseisiä yliaaltoja voidaan rajoit- taa estopiirillä, joka koostuu rinnan kytketyistä kondensaattorista ja kelasta. Piiri asennetaan sarjaan nollajohtimen kanssa ja viritetään siten, että 150 Hz taajuudella piirin muodostama suuri impedanssi estää kolmannen yliaallon kulkemisen nollajohtimeen. (Sähköinfo. 2018)
Kolmatta yliaaltoa voidaan myös suodattaa samalla periaatteella kuten muita parittomia yli- aaltoja, asentamalla kuorman kanssa rinnan 150 Hz taajuudella toimiva resonanssipiiri, jo- hon valtaosa kolmansista yliaalloista ohjautuu eikä täten päädy keskusta syöttävään verk- koon (Sähköinfo. 2018).
Passiivisia yliaaltosuodattimia on yleisesti käytetty induktiivisen kuorman kompensoinnin yhteydessä. Täten LED-valasimien synnyttämä kapasitiivinen kuorma ei ole ideaalinen suo- datus ja kompensointikohde passiivisille suodattimille. Myös valaisinkuormalle tyypillinen kuorman vaihtelu asettaisi haasteita passiiviselle suodatukselle. Suodatusratkaisua voisi har- kita kohteessa, jossa keskuksessa, johon suodatin asennetaan, on huomattavasti induktiivista kuormaa yliaaltolähteiden lisäksi. Suodatin kompensoisi loistehon ja suodattaisi valtaosan yliaalloista.
4.3 Aktiivinen yliaaltojen suodatus
Aktiiviset yliaaltosuodattimet ovat viime vuosina yleistyneet ja tarjoavat teknisiä etuja pas- siivisiin suodattimiin nähden. Aktiivisten suodattimien toimintaperiaate poikkeaa täysin ke- loihin ja kondensaattoreihin perustuvista passiivisista suodattimista. Aktiivisuodattimen toi- minta perustuu puolijohdetekniikkaan, joka mahdollistaa suodattimen joustavan käytön eri
kuormilla (Sähköinfo. 2018). Aktiivinen yliaaltosuodatin kykenee suodattamaan käytän- nössä kaikki yliaallot, sekä kompensoimaan loistehoa (Sähköinfo. 2018).
Suodattimen tasajännitekondensaattorit latautuvat syöttävän verkon virralla. Kondensaatto- rit toimivat energialähteenä laitteen invertterille. Laite mittaa jatkuvasti syöttävän verkon yliaaltokomponenttien virtoja ja syöttää identtistä signaalia verkkoon 180° vaihesiirrolla, jolloin yliaaltokomponentit kumoavat toisensa. Laite pystyy siis mukautumaan verkon kuor- mien muutoksiin jatkuvasti. Mikäli kuorman suuruus ylittää suodattimen nimellistehon, jat- kaa suodatin toimintaansa omalla huipputehollaan ja jättää siitä yli jäävän kuorman huomi- oimatta. Laitteet ovat modulaarisia, eli tehotarpeen kasvaessa niitä voidaan yksinkertaisesti asentaa lisää rinnan toisiinsa nähden. Laitteet ovat myös fyysisiltä mitoiltaan yleensä pieni- kokoisempia kuin passiiviset suodatuslaitteet (Sähköinfo. 2018). Aktiivisuodattimet ovat kuitenkin hankintahinnaltaan kalliimpia passiivisuodattimiin nähden.
LED-valaistuksen aiheuttamien yliaaltojen ja loistehon suodattamiseksi aktiivista yliaalto- suodatinta voidaan pitää käyttökelpoisena ratkaisuna. Valainkeskuksen perään asennetaan luultavasti vuosien aikana eri valmistajien LED-putkia, joiden tuottamat häiriöt voivat poi- keta keskenään huomattavasti. Täten olisi hyvä, että suodatinlaite kykenee toimimaan muut- tuvien häiriöiden ja kuormien kanssa. Aktiivinen suodatin on joustavuutensa myötä myös helpompi mitoittaa kohteeseen, sillä sen mitoittaminen ei vaadi yhtä paljon alkuarvoja kuin passiivinen yliaaltosuodatin ja suodatustehontarpeen kasvaessa suodattimien määrää voi- daan kasvattaa tarvittaessa.
4.4 Kytkentätransienttien minimointi
Kytkentävirtapiikkien haittavaikutuksien poistaminen kokonaisuudessaan on niiden vaiku- tuksien aiheuttajien sähköteknisten ominaisuuksien johdosta haastavaa. Ongelmaan on tästä huolimatta olemassa ratkaisuja ja toimintatapoja, joilla haittavaikutuksia voidaan vähentää.
Käynnistyksistä aiheutuvat virtapiikit halutaan pitää mahdollisimman vähäisinä, joten tämä on hyvä huomioida valaistuksen ohjauksen valinnassa. Mikäli valitun tilan valaistus on lii- ketunnistimen perässä, tulee valaistusryhmä oletettavasti kytkeytymään pois, sekä päälle useammin kuin esimerkiksi katkaisijan perässä oleva valaistus. Mikäli kohde on teollisuus-
rakennus, on myös mahdollista, että valaistus on päällä ympäri vuorokauden, jolloin kytken- tävirtapiikkejä pääsee syntymään vain harvoissa erikoistapauksissa, kuten sähkökatkon jäl- keisessä sähköjen palautuksessa.
Vaikka valaistus olisi kohteessa normaalitilanteessa aina päällä, tulee välillä vastaan tilan- teita, jolloin ryhmä joudutaan kytkemään päälle. Mikäli ryhmässä on enemmän valaisimia sulaketta kohden, kuin mitä valaisinvalmistajan taulukko on taannut, voi ryhmän sulake lau- eta. Sen estämiseksi on olemassa teknisiä ratkaisuja, joilla voidaan vähentää käynnistysvir- tapiikistä syntyvää virtatransienttia.
Virtatransientteja pienentävät laitteet perustuvat siihen, että virran kytkeminen päälle toteu- tetaan virran siniaallon nollakohdassa. Tällöin kondensaattorin lataava lyhyt virtapiikki on huomattavasti pienempi kuin esimerkiksi siniaallon huippukohdassa tapahtuvassa kytkemi- sessä. Kyseinen ratkaisu toimisi suurissa valaisinryhmissä, joiden ohjaus perustuu keskuk- sessa olevaan releohjaukseen, sillä asennettava lisälaite ohjaisi relettä (Schneider. 2019).
5. MAHDOLLISIA RATKAISUJA CASE-YMPÄRISTÖSSÄ
Kandidaatintyön muodossa toteutetun selvityksen pohjalta suunnitellaan valaistussaneeraus- kohteeseen esimerkkiratkaisu, jota voidaan hyödyntää tulevaisuudessa apuna muiden vas- taavien kohteiden suunnittelussa. Kohteiden olosuhteet voivat vaihdella merkittävästi toisis- taan, joten ratkaisua ei voida pitää yleispätevänä.
5.1 Case-ympäristön kuvaus
Loviisan ydinvoimalaitos on otettu käyttöön asteittain 1970-luvun loppupuolella. Loviisa 1 otettiin käyttöön vuonna 1977 ja Loviisa 2 vuonna 1980. Voimalaitos on kokenut vuosien aikana mittavia päivityksiä, mutta osa infrastruktuurista on vielä alkuperäisessä tilassa.
Case-ympäristö on monipuolinen ja sisältää konttoriolosuhteita ja tyypillistä teollisuusym- päristöä, jossa on runsaasti vaihtelevia kuormia ja pyöriviä moottorikuormia.
5.2 Ongelmat
Laitoksella oleviin loisteputkivalaisimiin aiotaan vaihtaa loisteputket korvaavat ”retrofit”
LED-putket. Vaihtotyön laajuudesta johtuen, kaikki loisteputkivalaisimet eivät ole samaa mallia tai edes samalta aikakaudelta. Täten valaisimien ominaisuuksissa ilmenee eroavai- suuksia, osa sisältää magneettikuristimen ja on myös kompensoitu, kun taas osa valaisimista on kompensoimattomia. Mikäli valaisimien runkoihin ei tehdä suurempia muutoksia kuin sytyttimen vaihto, jää kompensoimattomien valaisimien tehokerroin vaihtotyön jälkeenkin melko huonoksi ja tällöin suurin mahdollinen energiansäästö jää tavoittamatta. Voidaan kui- tenkin todeta, että LED-putkiin siirtyminen parantaa kohdevalaisinkeskuksen tehokerrointa.
Mikäli valaisinrunkojen magneettikuristimet ohitetaan, on mahdollisuus että, valaisimen te- hokerroin jää edelleen pieneksi siinä tapauksessa, että kompensointikondensaattorit jätetään runkoon. Tällöin valaisimen kapasitiivisen loistehon kulutus kasvaa, kun loisteputkien tilalle asennetaan lievästi kapasitiiviset LED-putket. Täten valaisinsaneerauksessa halutut mahdol- lisimman suuret energiansäästöt voivat jäädä saavuttamatta, sillä valaisimien näennäisteho ei välttämättä pienene, vaikka niiden kuluttama pätöteho pienenee (Ruuth. 2018).
Korvaavat LED-putket ovat teholtaan alle 25 W ja täten eivät kuulu standardin
EN 61000-3-2 piiriin. Standardin asettamien rajoituksien puute lamppujen synnyttämiin yli- aaltoihin ja loisteputken fyysisten mittojen aiheuttamien rajoitteiden vuoksi lamput synnyt- tävät yliaaltoja verkkoon. LED-valaisimien synnyttämät harmoniset yliaallot voivat aiheut- taa ongelmia kohteen sähköverkossa. Yliaallot heikentävät sähkön laatua, synnyttävät hävi- öitä ja voivat aiheuttaa verkossa olevien laitteiden rikkoontumisia. Erityisesti kolmella jaol- liset yliaallot voivat aiheuttaa ongelmia kohteen kaapelointien kannalta, sillä ne kertaantuvat keskenään eivätkä kumoudu. Etenkin jos kohde on vanha ja sen syöttökaapelin nollajohto omaa pienemmän poikkipinnan kuin vaihejohtimet, on olemassa riski, että valaisinkeskusta syöttävän kaapelin nollajohdin lämpenee liian suuresta virrasta.
Kytkentävirtapiikit voivat aiheuttaa sulakkeiden laukeamisia, mikäli valaisinryhmässä on suhteessa liikaa kuormaa uusien LED-putkien synnyttämiin käynnistysvirtapiikkeihin näh- den.
5.3 Toimenpiteitä vaikutusten vähentämiseksi
Valaisinkeskukset joihin muutoksia tullaan tekemään voivat poiketa merkittävästi toisistaan, joten jokaisen kohdalla tehdyt toimet valaistuksen aiheuttamia haittoja vastaan ovat tapaus- kohtaisia.
Pilottikohteena käytettävän keskuksen kohdalla aloitetaan työ kartoittamalla kunkin valai- sinryhmän kuorma ja tekemällä valaisinkeskukselle sähkönlaatumittaus vanhojen loisteput- kivalaisimien ollessa kuormana. Mittauksen jälkeen voidaan vaihtaa loisteputkien tilalle kor- vaavat LED-putket. Vaihtotyötä tehdessä, tulee putkien lisäksi vaihtaa valaisinrungoissa ole- vat sytyttimet LED-sytyttimiksi ja mikäli muutostyöllä haetaan mahdollisimman suurta energiansäästöä, tulee valaisimissa olevat magneettikuristimet ja mahdolliset kompensointi- kondensaattorit poistaa. Magneettikuristimien ja kompensointikondensaattorien poistosta saatavat energiansäästöt selvitetään erillisellä laboratoriomittauksella, jotta saatuja säästöjä voidaan verrata mahdollisiin vaihtotyöstä aiheutuviin työkustannuksiin. Laskennallisesti voidaan arvioida, että putkien vaihdolla on loistehoa vähentävä vaikutus riippumatta siitä, onko vaihtotyön kohteena toimiva valaisin kompensoitu tai kompensoimaton. Mikäli valai- simiin tehdään muita muutostöitä kuin putkien ja sytyttimien vaihto, tulee työn yhteydessä
huolehtia valaisimen asianmukaisista merkinnöistä, joihin tehty muutostyö tekijän velvoittaa (Tukes. 2014).
Vaihtotyön jälkeen toteutetaan valaisinkeskukselle uusi sähkönlaatumittaus, jota voidaan verrata aiemmin suoritetun mittauksen tuloksiin. Kartoitetun tilanteen pohjalta (laskennalli- nen kuorma ja mittaukset) voidaan valita tarvittavat toimet yliaaltojen suodatukseen ja mi- toittaa suodatin. Mikäli LED-putkien valmistaja on tarjonnut taulukot sulakkeiden kuormi- tettavuutta valaisimien lukumäärällä varten, voidaan sitä käyttää perusteena käynnistysvir- tapiikkien aiheuttamien ongelmien arviointiin. Mikäli taulukon mukaan sulake ylikuormit- tuu kuormasta, voidaan tarvittaessa sulakkeen tyyppiä vaihtaa hitaammalla laukaisukäyrällä olevaan tai releohjattuihin ryhmiin lisätä kytkentävirtapiikkejä tasaava nollapistekytkentä- rele. Muutostöiden jälkeen toteutetaan vielä kolmas sähkönlaatumittaus. Mittaustuloksia voidaan verrata standardin SFS-EN 50160 asettamiin rajoihin.
6. YHTEENVETO
Työn tavoitteena oli toteuttaa selvitys LED-valaistuksen siirtymisessä huomioon otettavista vaikutuksista, joita uusi valaistustekniikka aiheuttaa verrattuna korvattavaan loisteputkitek- niikkaan pohjautuvaan valaistukseen. Tämän lisäksi työssä aloitettiin teknisten ratkaisujen kartoitus valaistusmuutoksen synnyttämien haittavaikutusten vähentämiseksi.
Työssä selvitetyt vaikutukset voidaan jakaa kolmeen osaan: loistehoon, yliaaltoihin ja kyt- kentävirtapiikkeihin. Mikään näistä ei ole uusi ilmiö sähköverkoissa, mutta suurissa kiinteis- töissä valaisimien suuri lukumäärä tarkoittaa sitä, että ilmiöihin on kiinnitettävä huomiota ja niiden aiheuttamat haittavaikutukset on syytä ottaa huomioon valaistussaneerausta tehdessä.
Työ toteutettiin kirjallisuuskatsauksena, joten käytännön muutostöihin työssä ei päästy sy- ventymään enempää. Työssä tehdyn taustatutkimuksen pohjalta jatketaan tietojen sovelta- mista käytännön sovelluksissa.
Työssä käsitellyt aiheet tulevat osaksi kiinteistöjen sähkösuunnittelua tulevaisuudessa, sillä kapasitiivinen loisteho on yleistymässä sähkönjakeluverkossa ja yliaaltolähteiden määrä on myös kasvamaan päin. Tämä, LED-valaistuksen yleistyminen ja standardisoinnin puute pie- nitehoisille LED-valonlähteille synnyttävät tarpeen tulevaisuudessa työssä esitettyjen vaiku- tusten huomioimiselle, jotta sähkönlaatu pysyy sähköverkossa standardien asettamien rajo- jen sisällä.
LÄHTEET
ABB:n TTT-käsikirja 2000-07
Ahoranta, J. 2008. Sähkötekniikka. Yhdeksäs painos. Helsinki: WSOY.
Fingrid. 2019. Kantaverkkopalvelun yksikköhinnat 2019. [verkkodokumentti]. [viitattu 16.12.2019]. Saatavissa. https://www.fingrid.fi/globalassets/dokumentit/fi/palvelut/kaytto- varma-sahkonsiirto/kantaverkkopalvelun-yksikkohinnat-2019.pdf
Korpinen, L. 2008. Yliaalto-opus. [verkkodokumentti]. [viitattu 13.9.2019]. Saatavissa http://leenakorpinen.com/archive/opukset/yliaalto-opus.pdf
Motiva. 2019. Lamput ja valaistus. [verkkodokumentti]. [viitattu 13.1.2020]. Saatavissa.
https://www.motiva.fi/koti_ja_asuminen/hyva_arki_kotona/lamput_ja_valaistus
Nieminen, AJ. N.d. Vaihe-ero ja resonanssi. [verkkodokumentti]. [viitattu 16.1.2020]. Saa- tavissa http://www.kotiposti.net/ajnieminen/sa18.pdf
Rossi, M. k. 2019. Circadian Lighting Design in the LED Era. 1st ed. 2019. Cham: Sprin- ger International Publishing. https://wilma.finna.fi/lut/Record/wilma.185683
Ruuth, K. 2018. LED-valaistuksen paloturvallisuus sekä eri valaisinratkaisuiden verkko- vaikutukset. Diplomityö. Tampereen teknillinen yliopisto. Tampere.
Schneider. 2019. Technical guide: How to control and protect LED Lighting Circuits. Ru- eil Malmaison Cedex: Schneider Electric.
Suomen standardisoimisliitto SFS. 2011. SFS-EN 50160 Yleisestä jakeluverkosta syötetyn sähkön jänniteominaisuudet. Neljäs painos.
Sylvania. 2020. TOLEDO SUPERIA T8 V5 5FT 4100LM 840 Product Data. [verkkodoku- mentti]. [viitattu 10.2.2020]. Saatavissa. https://www.sylvania-lighting.com/product/en- int/products/0028395/
Sähköinfo. 2018. Yliaallot ja kompensointi. Toinen uudistettu painos. Espoo: STUL ry.
Tukes. 2014. LED-valoputket loisteputkien korvaajina. [verkkodokumentti]. [viitattu 12.12.2019]. Saatavissa: https://docplayer.fi/862628-Led-valoputket-loisteputkien-korvaa- jina.html
